講座導語

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業和汽車空調等領域獲得廣泛應用。本講座主要介紹DIPIPM的基礎、功能、應用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產品。

3.3

DIPIPM應用電路

通過前幾期的技術講座，我們了解了DIPIPM基本結構?內置功能?如何選型?如何功耗仿真等。從本節開始介紹DIPIPM的典型應用接口電路以及PCB設計。從應用的角度來看，DIPIPM的優勢在于擁有更少的外圍器件?設計上手快；DIPIPM從600V/2A~75A到1200V/5A~75A在內部基本結構和外圍接口電路的設計上都是基本一致的，只要使用過其中任意一款DIPIPM，就可以非常容易拓展到不同功率等級的產品線，系列擴展簡單?節省研發資源。

3.3.1&3.3.2

第11講：DIPIPM應用電路（1）

3.3.3

控制邏輯輸入信號（PWM）

輸入PWM信號邏輯電平為高有效(3～15V TTL/MOS)。內置HVIC具有電平轉移功能(level shift function)，使得控制信號可直接來自于MCU/DSP（無需光隔）。

由于控制信號端子內置了3.3kΩ的下拉電阻，所以在模塊外部無需再外加下拉電阻，但Fo信號線需要通過一10kΩ電阻上拉至5V。

DIPIPM對于輸入信號的最小脈寬有限制。如果輸入信號脈寬（開通和關斷）小于其限制值，DIPIPM可能不響應或不能正常工作。對于其具體限制值，請參考相應的規格書。（不同電流額定值的產品，最小脈寬可能是不同的。）

圖11 典型DIPIPM內部輸入電路（超小型為例）

控制輸入端的RC濾波（圖11中虛線部分）容量的選擇取決于應用系統的PWM控制方式和PCB的引線阻抗?？刂戚斎攵俗釉谀K內部接有3.3kΩ（最小值）的下拉電阻，因此，當外接濾波電阻時, 請注意在輸入端子上的控制信號壓降（它應滿足控制電壓閾值的要求，見表3和表4）。應確保控制信號輸入電壓閾值：

開通信號電平>Vth(on)Max

關斷信號電平

表3 DIPIPM控制閾值電壓（SLIMDIP為例）

表4 DIPIPM控制閾值電壓（第6代大型DIPIPM為例）

3.3.4

VOT接口電路

VOT功能是通過LVIC內置的溫度傳感器來檢測LVIC上的溫度，然后再將傳感器信號輸出至外部端子，如下圖12所示IGBT和續流二極管的熱量通過封裝樹脂和外部散熱器傳導到LVIC，中間傳輸需要時間，因此LVIC上的溫度不能及時有效地反映出功率芯片溫度的快速上升（例如：電機堵轉、短路）。建議在諸如因散熱系統受損或持續過載運行而引起的較慢溫度升高時使用此功能進行保護，也可以將VOT輸出的溫度信號作為控制信號，在溫度超過一定限值時，對壓縮機進行限降頻等保護時采用。

圖12 VOT溫度采樣點及熱傳遞路線

下圖13是VOT接口電路圖，建議加入5.1kΩ的下拉電阻以獲得線性的輸出特性曲線。當下拉電阻加在VOT和VNC（控制地）之間時，流過它的電流（VOT輸出電壓/下拉電阻值）將疊加在LVIC的電路電流上。如果將VOT僅用于檢測高于室溫的溫度時，不需要再加入下拉電阻。

圖13 使用5V的MCU VOT輸出接口電路

在使用3.3V MCU等低電壓控制器的情況下，如果需要將VOT的保護動作值設置在MCU控制電源電壓值（如3.3V）或更高時，可以采用電阻分壓電路將VOT輸出電壓進行分壓DVOT=VOT*R2/(R1+R2)，其中R1+R2≈5.1kΩ，然后再輸入至控制器的A/D轉換器（見圖14）。對于是否還需要鉗位二極管，考慮到被分壓后的輸出電壓通常不會再超過控制器的電源電壓，一般不必要再加入鉗位二極管，但具體要通過測試分壓以后的電壓值再得出結論。

圖14 采用3.3V的MCU VOT輸出接口電路

圖15 VOT輸出電壓與LVIC溫度關系曲線（以超小型為例）

VOT電壓與LVIC溫度之間的關系曲線如上圖15所示，成線性關系。功率芯片產生的熱量會通過散熱器和模塊封裝傳導到LVIC，那么LVIC溫度Tic（VOT輸出）、殼溫Tc（規格書上定義的芯片下方溫度）、結溫Tj之間的關系則依賴于系統的冷卻條件、散熱器、控制方法等。散熱條件不同，關系曲線也會有所變化。所以當我們設定保護閾值溫度時，需要根據具體的系統測試得出上述關系曲線。在設定保護閾值溫度Tic時，重要的是要確保DIPIPM外殼溫度和結溫滿足Tc≤100℃/125℃和Tj≤150℃/175℃的條件。

3.3.5

短路保護電路

DIPIPM采用外接的旁路電阻來檢測電流，如圖16所示。通過比較CIN端子上的來自于旁路電阻上的反饋電壓和SC動作參考電壓，控制IC內部的保護電路能夠捕捉到短路電流，并自動啟動保護功能。SC動作電壓閾值Vsc(ref)為0.48V（典型值），應據此來選擇適合的旁路電阻阻值。

圖16 1旁路電阻時的接口電路舉例

圖17 旁路電阻電感

1

旁路電阻的計算和短路保護電路

旁路電阻RShunt=VSC(ref)/ISC，其中VSC(ref)為短路動作電壓參考值0.48V±5%（CIN管腳的觸發電平，具體請參考相關產品規格書），通常情況下短路保護動作電流的最大值ISC(max)應小于IGBT額定電流的1.7倍。例如：以PSS15S92*6-AG為例，ISC(max)應設為15x1.7=25.5A。

為了避免DIPIPM因過高浪涌電壓而損壞，要求NU/NV/NW管腳到功率地之間的電感（包括旁路電阻的電感在內）在10nH以內，上圖17是采用引線的陶瓷電阻和貼片電阻寄生電感的對比，為減小電感建議旁路電阻使用貼片功率電阻。

由于逆變部分控制策略及DIPIPM種類不同，其采取的短路保護電路也不盡相同。圖18是采用3旁路電阻的短路保護接口電路例，其典型特點是采用了3個旁路電阻及3個比較器；圖19是采用了VSC功能作為短路保護信號的短路保護電路案例，該電路適用于配置了VSC功能的DIPIPM，如大型DIPIPM?大型DIPIPM+等。圖20是采用了運算放大電路的短路保護檢測電路。

圖18 3-Shunt短路保護接口電路例

圖19 采用VSC功能的短路保護電路（第6代大型為例）

圖20 采用放大器電流檢測電路

2

DIPIPM外部短路檢測延時

不管采用何種短路檢測電路，必須要保證RShunt-Cin之間的電路延時為1.5~2μs。

為什么外部短路檢測延時時間t1=1.5~2μs呢？是為了防止噪聲干擾引起的短路保護誤動作，需要在短路檢測電路中加入濾波器，應根據噪聲干擾的持續時間和DIPIPM的短路安全工作區（SCSOA）來設置DIPIPM外部短路檢測延時時間。因此，從發生短路動作電流到IGBT柵極關斷之間總的時間延遲為：tTOTAL=t1+t2（DIPIPM外部短路檢測延時時間t1=1.5~2μs，t2=控制IC傳輸延遲時間），下表5為典型DIPIPM內部IC傳輸延時時間（以第6代超小型為例）。

表5 典型DIPIPM內部時間延遲（第6代超小型為例）

圖21 PSS15S92*6-AG安全工作區曲線（SCSOA）

以PSS15S92*6-AG舉例來說，僅當IGBT導通時間小于2.7μs時，它能夠可靠關斷大約5.8倍額定電流值的短路電流，如圖21所示。由于短路安全工作區（SCSOA）會隨控制電源電壓（VD）、直流母線電壓（VCC）等的不同而變化，因此，設定RC濾波器的時間常數時要考慮一定的裕量，tTOTAL=t1+t2= 2μs+0.5μs=2.5μs<2.7μs的情況下，DIPIPM在發生短路時，可以可靠保護。

短路保護時只有下橋IGBT自動關斷，當Fo結束后內部短路保護電路被復位。關于故障信號Fo的脈寬：對于SLIMDIP和超小型DIPIPM來說是固定的tFO=20μs（Min），對于小型DIPIPM和大型DIPIPM等來說是由外部的CFO來設定的(如tFO=2.4ms@CFO=22nF)，具體請參考相關應用手冊。DIPIPM只能在非重復短路情況下實現保護，這要求系統MCU在檢測到故障信號后切斷所有PWM信號。

本講總結

本節主要介紹了DIPIPM的典型應用電路。按照功能劃分主要為以下幾個部分：15V電源、自舉電路、控制邏輯輸入信號（輸入PWM信號）、VOT（溫度輸出）功能、電流檢測和短路保護電路等，良好的電路設計是DIPIPM乃至整個功率變換裝置可靠運行的基礎。

主要術語說明

1:DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊(Dual-in-line Intelligent Power Module)；

2trade_mark:、SLIMDIP及DIPIPM+均為三菱電機株式會社注冊商標。

主要參考文獻

[1] Mitsubishi electric, “SLIMDIP Series Application note”

[2] Mitsubishi electric, “Super mini DIPIPM Ver.6 Series Application note”

[3] Mitsubishi electric, “Mini DIPIPM with BSD Series Application note”

[4] Mitsubishi electric, “1200V Large DIPIPM Ver.6 Series Application note”

關于三菱電機

三菱電機創立于1921年，是全球知名的綜合性企業。在2022年《財富》世界500強排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財年，集團營收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術主導型企業，三菱電機擁有多項專利技術，并憑借強大的技術實力和良好的企業信譽在全球的電力設備、通信設備、工業自動化、電子元器件、家電等市場占據重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發和生產半導體已有60余年。其半導體產品更是在變頻家電、軌道牽引、工業與新能源、電動汽車、模擬/數字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。

審核編輯 ：李倩